第88卷第1期0期第卷，第10V ol ． 8，No ．10
电电子子与与封装
ELECTRONICS & PACKAGING
总 第66期2008年10月
电新型磁旋转编码器设计
钱宏文，朱燕君
（中国电子科技集团公司第58研究所，无锡 214035）
摘 要：文章论述了角度传感电路AS5040的内部结构、工作原理和使用方法，以及基于AS5040电路新型一体化磁旋转编码器的结构设计和硬件设计。磁旋转编码器有模拟和数字两种接口方式，在使用前可一次性编程为正交A/B、步/方向、无刷直流电动机换向三种工作模式之一。该新型磁旋转编码器具有成本低廉、体积小、结构简单、功耗低、精度高、抗干扰能力强等特点，产品经实际使用，能可靠应用于恶劣环境下非接触式角度和距离测量、电机控制等领域。关键词：磁编码器；霍尔传感器；OTP
中图分类号：TN402 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2008）10-0014-03
Design of a New-type Magnetic Rotary Encoder
QIAN Hong-wen, ZHU Yan-jun
（China Eletronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035, China ）Abstract: This paper discusses the operation principle and application of AS5040 angle sensor device, anddescribes the architecture and hardware design of a new-type magnetic rotary encoder based on AS5040. Theintegrated new-type magnetic rotary encoder provides analog and digital interfaces, and can be once pro-grammed to operate in quadrature A/B, step/direction or brushless DC motor commutation mode. It has lowpower dissipation, high accuracy and strong capability of antijamming . The practice result shows that theproduct can be applied reliably in the fields of contactless angle and distance measurement and motor controlwith badly environment.
Key words:magnetic encoder; hall sensor; one time programming
与其他非接触式编码器相比，新型磁旋转编码
1 引言
角度传感器在自动化控制、交通运输、航空航天、国防军事工业等领域有着极其广泛的应用，常用角度测量的方法有机械测量、光电测量、电磁测量等。机械测量方法简单，但设备体积庞大、测量精度低、实时性差，属于接触测量。采用AS5040的新型磁旋转编码器是一种利用霍尔效应的编码器，属于非接触测量。
器具有如下优点：
（1）耐环境性能好，不怕油、灰尘，可在温度变化大的地方使用；
（2）和光电传感器相比，体积小、结构简单、抗冲击，可靠性高；
（3）无需使用发光二极管，耗电量少，且使用寿命长；
（4）和早期磁编码器相比结构简单，仅需1个双极的稀土磁铁。
收稿日期：2008-07-21
- 14 -
第8卷第10期钱宏文，朱燕君：新型磁旋转编码器设计
读出此编码值，内置DSP 提供了指示磁铁靠近或远
2 AS5040结构和工作原理
AS5040是奥地利微电子公司生产的一款非接触式、高分辨率、编码在0~360°范围内进行角度测量的磁旋转编码电路。用户可编程3种增量输出模式，允许最高旋转速度为10000r/min，内置电压调节器，用3.3V 或5.0V 供电，工作范围为－40℃~＋125℃。AS5040是一个完整的片上系统（SOC ）解决方案，采用旋转电流霍尔技术，用于检测电路表面上方的磁场分布。内置霍尔元件阵列围绕芯片的中心位置分布，产生一个表征芯片表面磁场的电压，电压经放大后进入Σ-Δ数模转换部分，经内置数字信号处理器(DSP)运算后实现了精确的高分辨率绝对值角度信息。内部结构如图1所示。
离芯片表面运动的MagINCn （磁场强度增加）和MagDECn （磁场强度减小）信号，可用于检测有效的磁场范围，如表1所示。
表1 磁场强度变化指示
引脚3、4和6为增量脉冲输出引脚，这些引脚的功能可通过编程芯片内部一次性可编程（OTP ）寄存器进行配置，如表2所示，可配置为三种模式。
表2 增量脉冲输出模式
绝对角度位置数据从电路的SSI 同步串行接口读出，接口时序如图2所示。当CSn 变为低电平时，DO 数据端从高阻态变为高电平，在CLK 的第一个下降沿将数据端从高阻态变为低电平，在CLK 的第二个下降沿将数据锁存进输出寄存器，每个后续的CLK 上升沿移出1位数据。串行字包括16位，前10位是角度信息d[9:0]，后6位包含系统信息、涉及数据的有效性，例如OCF 、COF 、LIN 、奇偶性和磁场状态（增强/减弱）等，其中OCF 是失调补偿完成
图1 AS5040内部结构
指示位，高电平表示失调补偿完成；COF 是DSP 溢出指示，高电平表示误差超出范围。数据接收结束后，通过拉高CSn 启动下一次数据传输。
AS5040能够检测磁场的方位，并将0~360°方位值计算成10位二进制编码，通过同步串行接口（SSI ）
图2 输出绝对值位置数据的同步串行接口时序
- 15 -
第8卷第10期
电子与封装
3 磁旋转编码器的结构设计
通常情况下，磁铁和角度传感器电路呈垂直方式安装。厂家推荐使用两极磁铁，其直径为6mm ，厚度≥2.5mm ，磁铁材料采用AlNiCo 、SmCo 5或NdFeB 。采用推荐磁铁时，磁铁中心轴线应对准电路规定中心处半径（Rd ）为0.25mm 范围之内，磁铁和封装表面典型距离（Z ）为0.5mm~1.8mm，安装方式如图3所示。
图3 磁铁垂直安装方式
在实际使用中，Rd 误差还需考虑转轴的偏心抖动、磁铁中心与转轴中心安装偏差，因此安装后应当用高斯计核实磁场垂直于表面方向的磁场强度。在给定间距下沿半径为1.1mm （R 1）的同心圆上，磁场强度Bv 应在±45mT~±75mT 范围内。参见图4。
图4 典型的磁铁和磁场分布情况
- 16 -
另外在设计铝模具时，须留有足够的转轴纵向
抖动空间，以防止转轴和固定的铝外壳相碰，但距离也不能过大，否则磁场强度会超出范围，可利用MagINCn （引脚1）和MagDECn （引脚2）来检测，参见表1。
4 磁旋转编码器的硬件设计
磁旋转编码器主要用于电机控制中电机转轴位置检测，使用的环境比较恶劣，在设计磁旋转编码器时要考虑环境对编码器的干扰，因此需要将AS5040所有端口转换成专用工业标准的差分接口，常用的差分接口电路为26LS31、26LS32、LB179等。另一方面，磁编码电路AS5040在MIL883E method 0315测试标准下，其抗静电能力（ESD ）为±2kV ，对于需要长连线的磁旋转编码器来说抗静电能力略显不
足，而工业标准接口电路的抗静电能力较强，可达±12kV ，其原理框图如图5所示。
图5 磁旋转编码器原理框图
5 结论
经实验测试，在磁铁中心与电路中心Rd 偏差小于0.15mm ，磁铁和电路表面间隙在1.3mm ±0.1mm 时，编码器测试结果最大误差为1.5°。该新型磁旋转编码器体积小、功耗低、精度高、抗干扰能力强、通讯距离远、成本低，并有角度增量模式输出，是直接取代光栅编码器的最佳方案。参考文献：
1］AS5040 10位、360°可编程磁旋转编码器电路数据资
料[P].Ausriamicrosystems公司.
（下转第27页）
［
第8卷第10期季峰强，黄其煜，范建国，等：炉管制程工艺中的片数效应及其优化方
案
以内氮化硅沉积的，就要考虑到片数效应的影响。
针对炉管中的片数效应，主要有以下几方面工作可以被用来降低这种效应：
首先，改造设备中的气体管路系统，以使气体在整个炉管制程腔体内达到较高的均匀度。目前在多晶硅制程中，TEL Alpha-8SE 设备SiH 4的进气孔已经达到3个，并被设置为不同长度和流量，大大降低了多晶硅制程中的多片效应。
其次，减少设备单管填充量，目前300mm 晶圆的炉管工艺已经使用100片晶圆的最大组合。
第三，在制程工艺方面，如实验所示可以使用假产品来评估，分别对不同片数的组合建立不同的程式单独控制。
最后，针对氮化硅沉积中基于底端气体进入的特性，采用底端开始摆放的方式。
作者简介：
季峰强（1979-），男，上海南汇人，2002年毕业于哈尔滨工业大学金属材料工程专业，现在中芯国际集成电路制造（上海）有限公司扩散制程部主要从事炉管制程改进方面的研究，目前
参考文献：
［1］John Gumpher etc. LPCVD Silicon Nitride Uniformity Im-provement Using Adaptive Real-Time Temperature Control[J].IEEE TRANSACTIONS ON SEMICONDUCTORMANUFACTURING ，2003,16(1):26-35.
［2］Nicolas Emonet etc. Evolution of stacked-capacitor techn-ology for embedded-DRAM application [J].ICMTD，2005. 67-70.
［3］关旭东. 硅集成电路工艺基础[M].北京：北京大学出版
社，2003.
5 致谢
感谢中芯国际集成电路制造（上海）有限公司扩散制程部同仁在技术和数据收集上的帮助。
学位。
在上海交通大学微电子学院攻读硕士
（上接第16页）
［2］任志远，李佐宜. 磁旋转编码器原理及应用[J].传感器世
界，1996，10.
［3］Miyashita, Kunio, Takahashi Tadashi, Yamanaka Munesade.
Features of magntic rotary Encoder [M].IEEE Trans onMagn,1987.
作者简介：
钱宏文（1975-），男，江苏江阴人，中国电子科技集团公司第五十八研究所工程师，主要从事集成电路应用及模块开发。
（上接第23页）
［３］王景存，杨君，郭皓. 流水线设计方法及应用[J].控制工
程，2003，10（5）：413-415.
［４］周柱. 基于CORDIC 算法的直接频率合成技术的研究和
应用[D].国防科学技术大学，2005.
［５］李滔，韩月秋. 基于流水线CORDIC 算法的三角函数发
生器[J].通信与电视，1999，6: 52-53.
［６］张汉富，薛忠杰. 一种ROM-Less 流水线型DDS 设计[J] .
微计算机信息，2007，23（31）：144-145.
作者简介：
阮园（1975-），女，山东东阿县人，燕山大学学士学位，工程师，现在中国电子科技集团第58研究所从事集成电
路设计工作。
［７］鲜华，李众立，楚红雨. 基于Nios 的DDS 高精度信号源
实现[J].微计算机信息，2006，5（2）:190-192.
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第88卷第1期0期第卷，第10V ol ． 8，No ．10
电电子子与与封装
ELECTRONICS & PACKAGING
总 第66期2008年10月
电新型磁旋转编码器设计
钱宏文，朱燕君
（中国电子科技集团公司第58研究所，无锡 214035）
摘 要：文章论述了角度传感电路AS5040的内部结构、工作原理和使用方法，以及基于AS5040电路新型一体化磁旋转编码器的结构设计和硬件设计。磁旋转编码器有模拟和数字两种接口方式，在使用前可一次性编程为正交A/B、步/方向、无刷直流电动机换向三种工作模式之一。该新型磁旋转编码器具有成本低廉、体积小、结构简单、功耗低、精度高、抗干扰能力强等特点，产品经实际使用，能可靠应用于恶劣环境下非接触式角度和距离测量、电机控制等领域。关键词：磁编码器；霍尔传感器；OTP
中图分类号：TN402 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2008）10-0014-03
Design of a New-type Magnetic Rotary Encoder
QIAN Hong-wen, ZHU Yan-jun
（China Eletronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035, China ）Abstract: This paper discusses the operation principle and application of AS5040 angle sensor device, anddescribes the architecture and hardware design of a new-type magnetic rotary encoder based on AS5040. Theintegrated new-type magnetic rotary encoder provides analog and digital interfaces, and can be once pro-grammed to operate in quadrature A/B, step/direction or brushless DC motor commutation mode. It has lowpower dissipation, high accuracy and strong capability of antijamming . The practice result shows that theproduct can be applied reliably in the fields of contactless angle and distance measurement and motor controlwith badly environment.
Key words:magnetic encoder; hall sensor; one time programming
与其他非接触式编码器相比，新型磁旋转编码
1 引言
角度传感器在自动化控制、交通运输、航空航天、国防军事工业等领域有着极其广泛的应用，常用角度测量的方法有机械测量、光电测量、电磁测量等。机械测量方法简单，但设备体积庞大、测量精度低、实时性差，属于接触测量。采用AS5040的新型磁旋转编码器是一种利用霍尔效应的编码器，属于非接触测量。
器具有如下优点：
（1）耐环境性能好，不怕油、灰尘，可在温度变化大的地方使用；
（2）和光电传感器相比，体积小、结构简单、抗冲击，可靠性高；
（3）无需使用发光二极管，耗电量少，且使用寿命长；
（4）和早期磁编码器相比结构简单，仅需1个双极的稀土磁铁。
收稿日期：2008-07-21
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第8卷第10期钱宏文，朱燕君：新型磁旋转编码器设计
读出此编码值，内置DSP 提供了指示磁铁靠近或远
2 AS5040结构和工作原理
AS5040是奥地利微电子公司生产的一款非接触式、高分辨率、编码在0~360°范围内进行角度测量的磁旋转编码电路。用户可编程3种增量输出模式，允许最高旋转速度为10000r/min，内置电压调节器，用3.3V 或5.0V 供电，工作范围为－40℃~＋125℃。AS5040是一个完整的片上系统（SOC ）解决方案，采用旋转电流霍尔技术，用于检测电路表面上方的磁场分布。内置霍尔元件阵列围绕芯片的中心位置分布，产生一个表征芯片表面磁场的电压，电压经放大后进入Σ-Δ数模转换部分，经内置数字信号处理器(DSP)运算后实现了精确的高分辨率绝对值角度信息。内部结构如图1所示。
离芯片表面运动的MagINCn （磁场强度增加）和MagDECn （磁场强度减小）信号，可用于检测有效的磁场范围，如表1所示。
表1 磁场强度变化指示
引脚3、4和6为增量脉冲输出引脚，这些引脚的功能可通过编程芯片内部一次性可编程（OTP ）寄存器进行配置，如表2所示，可配置为三种模式。
表2 增量脉冲输出模式
绝对角度位置数据从电路的SSI 同步串行接口读出，接口时序如图2所示。当CSn 变为低电平时，DO 数据端从高阻态变为高电平，在CLK 的第一个下降沿将数据端从高阻态变为低电平，在CLK 的第二个下降沿将数据锁存进输出寄存器，每个后续的CLK 上升沿移出1位数据。串行字包括16位，前10位是角度信息d[9:0]，后6位包含系统信息、涉及数据的有效性，例如OCF 、COF 、LIN 、奇偶性和磁场状态（增强/减弱）等，其中OCF 是失调补偿完成
图1 AS5040内部结构
指示位，高电平表示失调补偿完成；COF 是DSP 溢出指示，高电平表示误差超出范围。数据接收结束后，通过拉高CSn 启动下一次数据传输。
AS5040能够检测磁场的方位，并将0~360°方位值计算成10位二进制编码，通过同步串行接口（SSI ）
图2 输出绝对值位置数据的同步串行接口时序
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第8卷第10期
电子与封装
3 磁旋转编码器的结构设计
通常情况下，磁铁和角度传感器电路呈垂直方式安装。厂家推荐使用两极磁铁，其直径为6mm ，厚度≥2.5mm ，磁铁材料采用AlNiCo 、SmCo 5或NdFeB 。采用推荐磁铁时，磁铁中心轴线应对准电路规定中心处半径（Rd ）为0.25mm 范围之内，磁铁和封装表面典型距离（Z ）为0.5mm~1.8mm，安装方式如图3所示。
图3 磁铁垂直安装方式
在实际使用中，Rd 误差还需考虑转轴的偏心抖动、磁铁中心与转轴中心安装偏差，因此安装后应当用高斯计核实磁场垂直于表面方向的磁场强度。在给定间距下沿半径为1.1mm （R 1）的同心圆上，磁场强度Bv 应在±45mT~±75mT 范围内。参见图4。
图4 典型的磁铁和磁场分布情况
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另外在设计铝模具时，须留有足够的转轴纵向
抖动空间，以防止转轴和固定的铝外壳相碰，但距离也不能过大，否则磁场强度会超出范围，可利用MagINCn （引脚1）和MagDECn （引脚2）来检测，参见表1。
4 磁旋转编码器的硬件设计
磁旋转编码器主要用于电机控制中电机转轴位置检测，使用的环境比较恶劣，在设计磁旋转编码器时要考虑环境对编码器的干扰，因此需要将AS5040所有端口转换成专用工业标准的差分接口，常用的差分接口电路为26LS31、26LS32、LB179等。另一方面，磁编码电路AS5040在MIL883E method 0315测试标准下，其抗静电能力（ESD ）为±2kV ，对于需要长连线的磁旋转编码器来说抗静电能力略显不
足，而工业标准接口电路的抗静电能力较强，可达±12kV ，其原理框图如图5所示。
图5 磁旋转编码器原理框图
5 结论
经实验测试，在磁铁中心与电路中心Rd 偏差小于0.15mm ，磁铁和电路表面间隙在1.3mm ±0.1mm 时，编码器测试结果最大误差为1.5°。该新型磁旋转编码器体积小、功耗低、精度高、抗干扰能力强、通讯距离远、成本低，并有角度增量模式输出，是直接取代光栅编码器的最佳方案。参考文献：
1］AS5040 10位、360°可编程磁旋转编码器电路数据资
料[P].Ausriamicrosystems公司.
（下转第27页）
［
第8卷第10期季峰强，黄其煜，范建国，等：炉管制程工艺中的片数效应及其优化方
案
以内氮化硅沉积的，就要考虑到片数效应的影响。
针对炉管中的片数效应，主要有以下几方面工作可以被用来降低这种效应：
首先，改造设备中的气体管路系统，以使气体在整个炉管制程腔体内达到较高的均匀度。目前在多晶硅制程中，TEL Alpha-8SE 设备SiH 4的进气孔已经达到3个，并被设置为不同长度和流量，大大降低了多晶硅制程中的多片效应。
其次，减少设备单管填充量，目前300mm 晶圆的炉管工艺已经使用100片晶圆的最大组合。
第三，在制程工艺方面，如实验所示可以使用假产品来评估，分别对不同片数的组合建立不同的程式单独控制。
最后，针对氮化硅沉积中基于底端气体进入的特性，采用底端开始摆放的方式。
作者简介：
季峰强（1979-），男，上海南汇人，2002年毕业于哈尔滨工业大学金属材料工程专业，现在中芯国际集成电路制造（上海）有限公司扩散制程部主要从事炉管制程改进方面的研究，目前
参考文献：
［1］John Gumpher etc. LPCVD Silicon Nitride Uniformity Im-provement Using Adaptive Real-Time Temperature Control[J].IEEE TRANSACTIONS ON SEMICONDUCTORMANUFACTURING ，2003,16(1):26-35.
［2］Nicolas Emonet etc. Evolution of stacked-capacitor techn-ology for embedded-DRAM application [J].ICMTD，2005. 67-70.
［3］关旭东. 硅集成电路工艺基础[M].北京：北京大学出版
社，2003.
5 致谢
感谢中芯国际集成电路制造（上海）有限公司扩散制程部同仁在技术和数据收集上的帮助。
学位。
在上海交通大学微电子学院攻读硕士
（上接第16页）
［2］任志远，李佐宜. 磁旋转编码器原理及应用[J].传感器世
界，1996，10.
［3］Miyashita, Kunio, Takahashi Tadashi, Yamanaka Munesade.
Features of magntic rotary Encoder [M].IEEE Trans onMagn,1987.
作者简介：
钱宏文（1975-），男，江苏江阴人，中国电子科技集团公司第五十八研究所工程师，主要从事集成电路应用及模块开发。
（上接第23页）
［３］王景存，杨君，郭皓. 流水线设计方法及应用[J].控制工
程，2003，10（5）：413-415.
［４］周柱. 基于CORDIC 算法的直接频率合成技术的研究和
应用[D].国防科学技术大学，2005.
［５］李滔，韩月秋. 基于流水线CORDIC 算法的三角函数发
生器[J].通信与电视，1999，6: 52-53.
［６］张汉富，薛忠杰. 一种ROM-Less 流水线型DDS 设计[J] .
微计算机信息，2007，23（31）：144-145.
作者简介：
阮园（1975-），女，山东东阿县人，燕山大学学士学位，工程师，现在中国电子科技集团第58研究所从事集成电
路设计工作。
［７］鲜华，李众立，楚红雨. 基于Nios 的DDS 高精度信号源
实现[J].微计算机信息，2006，5（2）:190-192.
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